CN105659420B - 在关闭时燃料电池系统的起动准备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对起动过程对燃料电池系统(2)进行准备的方法，其中在所述燃料电池系统(2)断开的情况下以及/或者在低于预设温度极限值的情况下实施起动准备例程(SVR)，以便除去所述燃料电池系统(2)中的水和水分。本发明的特征在于，根据在将所述燃料电池系统(2)关掉前的预设时间段内所检测到的测量值来改变所述起动准备例程(SVR)。

Description

在关闭时燃料电池系统的起动准备方法
技术领域
本发明涉及一种针对起动过程的燃料电池系统的准备方法，其中在所述燃料电池系统断开的情况下以及/或者在温度低于预设温度极限值的情况下实施起动准备例程，以便除去所述燃料电池系统中的水和水分，其中根据在将所述燃料电池系统关掉前的预设时间段内所检测到的测量值来改变所述起动准备例程，且其中根据所述测量值来改变所述起动准备例程的持续时间和/或输气装置的转速。
背景技术
燃料电池系统已广为人知。燃料电池系统例如可以在车辆中用来提供电驱动功率。燃料电池系统的一项难题是，在工作期间会在燃料电池系统中产生非常纯的水。温度低于冰点时(特别是在车辆领域不可避免地会出现这种情况)，燃料电池系统可能冻结，并在再次起动时产生相应问题，或者需要很长时间才能起动燃料电池系统。其原因在于，由于水分冷凝和冻结，(例如)气体管道和/或阀可能被阻塞，其他部件的功能可能因结冰而受到影响。
为克服这项难题，现有技术的方案是，为对燃料电池系统进行起动准备，在燃料电池系统断开的情况下实施一起动准备例程，以便除去燃料电池系统中的水和水分。通常情况下用例如由输气装置和/或氢气再循环风扇或者另一风扇所输送的气体，来冲洗燃料电池系统。这样就排出燃料电池系统中的水分，以及能将水分离器和类似元件清空并进行彻底冲洗，以便从其中除去尽可能多的水分。在此情况下，燃料电池系统在关掉及随后的断开过程中通常仍很热，因此，可能仍有蒸气残留在燃料电池系统中，其未来仍会冷凝并在温度降至冰点以下时，同样可能产生前述问题。因而根据另一现有技术，作为前述起动准备例程的补充或替代方案，在燃料电池系统停机时实施一起动准备例程。根据该方案，例如在环境温度降至某个预设极限值以下时，将燃料电池系统唤醒，以便实施该起动准备例程并将该系统烘干。与将燃料电池系统关掉后就进行烘干相比，这个通常也称作整理或停机整理的起动准备例程的优点是：能将未来会发生冷凝的水一起移除。因此，完全有理由实施两个例程。
根据现有技术，通常总是根据同一模式实施起动准备例程，具体方式是：将预设量的气体(如空气)穿过燃料电池系统进行输送，以便除去水分并排出水。为便于实现这一点，例如可以使得所有输气装置在规定时间内以恒定的转速运转。总是以某种方式规定数量，以便在任何情况下均能实现安全可靠的烘干。
DE 10 2007 050 856 A1提出一种方法，该方法非常复杂地根据膜水合和平均出现的流密度时间剖面等诸如此类来实施冲洗。这一点极其昂贵和复杂，且特别是就为停机整理而实施的起动准备例程而言，只有非常困难地检测到必要测量值的情况下才能工作。
DE 11 2007 000 300 T5、US 2006/222924 Al与DE 10 2012 01947 A1所构成的同类型现有技术还揭示过一种具有所述特征的方法，其中，借助在燃料电池系统工作期间所检测到的测量值来调整起动准备例程。
发明内容
本发明的目的是，提供一种使用起动准备例程来针对起动过程对燃料电池系统进行准备的方法，该方法工作起来非常简单有效，实施起来非常迅速、轻声且低能耗。
本发明用以达成上述目的的解决方案为下文所述的特征。该方法的其他有利设计方案参阅下文。
在本发明的方法方面，根据所述燃料电池系统中的测量值来改变所述起动准备例程。其中，在将所述燃料电池系统关掉前的某个预设时间段内检测这些测量值。在将燃料电池系统关掉前，当其仍处于工作状态下时，测量值极易被检测到，或者就某些控制目的而言以及为对工作流程产生影响，这些测量值通常情况下原本就是存在于燃料电池系统中的。这样就能利用这些原本就存在的测量值或者易于被检测到的测量值来对系统准备例程进行相应调整。本发明的基本理念在于，在燃料电池系统的满负荷情形下，例如在将燃料电池系统关掉前约15分钟的时间段内，极少的水分残留在燃料电池系统中，因为温度和体积流量相对较高。这样就不实施起动准备例程，或者以相应较短的时间或以输气装置的较低转速来实施起动准备例程，该输气装置用于提供烘干燃料电池系统用气流。此举低能耗、迅速且轻声。而如果从将燃料电池系统关掉前的时间段内所检测到的测量值中发现：出现了部分负荷情形或者极端的低负荷情形，则预计会出现湿度较高的燃料电池系统，这样就以相应更长的时间以及/或者较高的输气装置转速来实施系统准备例程，以便仔细地将燃料电池系统烘干。在二者之间存在至少一个中间级。该方法利用的是将燃料电池系统关掉前的某个预设时间段内检测到的测量值，这样就能以与系统准备例程期间的测量无关的方式，使用一优化的系统准备例程，其在能量需求、噪音排放和时间方面均与燃料电池系统的必要性相匹配。
在本发明的方法的一种非常有利的改良方案中，所述测量值包括所述燃料电池系统中的冷却水温度。除对负荷要求进行纯粹评价外，特别是燃料电池系统中的冷却水温度是极易有效检测到的值，其与负荷要求间接相关，且与在将燃料电池系统关掉后的湿度方面的情形直接相关。这样就能在检测冷却水值时，非常简单有效地选择适宜的起动准备例程。
在一种有利的改良方案中，可以规定不同的冷却水温度阈值，其中所述测量值包括所述冷却水温度高于相应冷却水温度阈值时的时间。举例而言，如果冷却水温度在燃料电池系统工作的最后15分钟内在80％时高于例如60℃的较高冷却水温度阈值，则与冷却水温度仅在10％时高于这个较高冷却水温度阈值且在其余时间内高于某个较低冷却水温度阈值的情形相比，可以实施短得多的系统准备例程。
在本发明的方法的一种特别优选的改良方案中，根据所述燃料电池系统在所述时间段内的负荷情形和/或冷却水温度将所述测量值划分为相应等级。在此情况下，每个等级均分配有所述系统准备例程的一个预设流程。可以在将所述燃料电池系统关掉后立即划分为各等级。例如可以划分为五个不同的等级，其表示全负荷、低负荷、轻度部分负荷、中度部分负荷和高度部分负荷。这样就能根据负荷情况在将燃料电池系统关掉时，理想情况下在未来视情况根据温度而实施停机整理时，实施适宜的系统准备例程。在理想情况下，可以通过一特性曲线将所述测量值或其所归入的等级与不同的系统准备例程相关联。
该方法的其他有利设计方案参阅下文和一实施例，下面结合附图对该实施例进行详细说明。
附图说明
其中：
图1为具有适于实施本发明的方法的燃料电池系统的车辆；以及
图2为用来实施本发明的方法的简化版特性曲线。
具体实施方式
在图1的示意图中，示意性示出车辆1。车辆1例如可以构建为乘用车、载重车、有轨车辆或物流用地面运输车。车辆1例如也可以用作船舶或航空器。车辆1中设有仅作原理性示意的燃料电池系统2，其核心构成一燃料电池3。这个燃料电池3构建为若干PEM单电池的电池组，构建为所谓的燃料电池组或燃料电池堆。燃料电池3内示意性示出阴极区4以及阳极区5。为实现正常工作，通过作为供氧器的输气装置6将空气输入阴极区4。废气经由排气管7从燃料电池系统2排出。通过压力调节与定量单元9将压缩气体储存器8中的氢气输入燃料电池3的阳极区5。未被消耗的氢气以及在阳极区5的区域内产生的惰性气体和水经由再循环管10回输并可以以与新鲜氢气混合的方式重新输入阳极区5。在再循环管10中布置有再循环输送装置11，其在本实施例中构建为氢气再循环风扇即HRB(HydrogenRecirculation Blower)。再循环输送装置11可以实施为气体射流泵或者实施为由气体射流泵与风扇构成的组合。此外，在再循环输送管10中设有水分离器12，其通过具有阀装置14的排出管13与燃料电池系统2的排气管7连接。这样就能通过水分离器12和阀装置14将水聚集且例如不时地排出。也可以根据水分离器中的液位或者根据所谓“阳极循环”中的浓度来将水排出。此外还能将气体连同水14一起排出，因为随着时间，穿过燃料电池3的膜片从阴极区4扩散至阳极区5的惰性气体会富集在阳极循环中。此举会降低体积恒定的阳极循环中的氢气浓度，因而必须将这种气体也一起排出。可以通过自有的管路将其排出，或者将其连同水一起通过排出管13和阀装置14排出。
在图1的示意图中，还示出了具有泵装置16的连接管15，其将阳极循环与通向燃料电池3的阴极区4的送风管17连接在一起。这样就能在阀装置16打开时，通过该连接管15为燃料电池系统2的阴极侧与阳极侧建立连接。根据具体的布置方案和实施方案，连接管15例如也可以用来以与水排出平行的方式，通过水分离器12和排出管13排出气体，其中分支点通常布置在水分离器12与再循环输送装置11之间。将排出的气体送入送风管17，这一点已众所周知且为常见措施，因为此举能够防止通常总是小量排出的氢气在阴极区4的催化器上发生反应以及氢气排放至周围环境。
起动准备例程SVR例如在燃料电池系统2关掉后的断开期间实施，或者在车辆1的环境温度降至某个预设极限值(如3℃)以下时以停机整理的形式实施，就该起动准备例程而言，采用某种实施方式，使得在理想情况下，输气装置6和再循环输送装置11以某个预设的转速工作，例如以此处未予绘示的电池的功率工作。这样就对阴极区4进行相应的彻底冲洗并在阳极循环中产生一循环流动。在此情况下，如果打开所述连接管上的阀装置16，则阳极侧相应地也被干燥空气冲洗，其中在理想情况下，水和空气通过水分离器12和排水管13在阀装置14打开的情况下被排出。这样就将燃料电池系统2相应烘干，且即使在温度低于冰点时，也能以理想的方式对该燃料电池系统进行准备，以便进行重新起动。
在燃料电池系统2或车辆1不工作期间，所述起动准备例程，无论其在关掉后的燃料电池系统断开过程中实施，还是以停机整理的形式实施，总是与输气装置6或再循环输送装置11的相应的能量需求相关，且在该起动准备例程运行的时间段t内引起相应的噪音排放。为降低能量需求及噪音排放，可以在工作期间在燃料电池系统1中检测并存储一系列测量值。这些测量值例如可以是燃料电池系统2在车辆1中的负荷要求。特定而言，可以检测燃料电池系统2的冷却水的温度。特别简单且有效的方案是，规定若干冷却水温度阈值，例如在正常工作期间通常会出现的温度范围内的两个或三个不同的阈值。这样就能在燃料电池系统2工作期间分别非常简单且有效地记录下：冷却水温度在哪些时间跨度内高于这些预设阈值。在将燃料电池系统2或车辆1关掉的情况下，通过前述方案就能在关掉前的某个预设时间段内，例如在关掉前的最后15分钟内，以回溯的方式对这些记录下的值进行评价。这样就能创建温度剖面并以间接相关的方式创建燃料电池系统2的负荷剖面。举例而言，如果在该预设时间段内100％的时间内，温度高于最大冷却水温度阈值，则在关掉前存在燃料电池系统1的连续性满负荷工作模式。如果在100％的该时间段内，冷却水温度低于最小的预设冷却水温度阈值，则存在100％的低负荷工作模式。其间可能存在不同的部分负荷工作模式，其例如因高于这一或另一冷却水温度阈值的冷却水温度的不同保持时间而产生。
在图2的示意图中，表格的各行示例性地示出了四个这类负荷状态，最上面是满负荷状态，最下面是低负荷状态，其间的两种状态例如表示1/3负荷和2/3负荷。在真正意义上的断开过程前将所述系统关掉时，对这些值进行评价并将其划分为图示的若干等级，如表示满负荷的等级1和表示低负荷的等级4。在此情况下，当车辆1的环境温度降至预设极限值以下时，随后启动的起动准备例程SVR和/或视情况还要启动的起动准备例程SVR就能(例如)以时间控制的方式运行，使得等级1分配有时间t1，等级2分配有时间t2，依次类推。其中在燃料电池系统2的满负荷工作模式完毕后存在某种情形：起动准备例程并非绝对必要或者可以大幅缩短。在此情况下，时间t1可以是0，或者不同于0但远小于等级4的时间t4，等级4系指将燃料电池系统2关掉前的低负荷情形。通常情况下的时间排列方式如下：时间t1<t2<t3<t4。这样就能根据燃料电池系统2在关掉前的工作模式来非常简单有效地选择某种起动准备例程SVR，其为将该起动准备例程SVR的能量需求、噪音排放和持续时间降至最低，而适于针对关掉前的相应负荷状态使用常见的用于实施起动准备例程SVR的时间跨度t。与以对应于等级4的系统准备例程工作的结构相比，上述方案能够根据燃料电池系统的具体负荷情形来达到大幅缩短的效果，因为为确保冷起动能力，这种系统准备例程在所有视情况出现的“Worst Case”方案中均为必要的。
除了本文所描述的各起动准备例程SVR仅在持续时间t方面有所区别的情形外，作为持续时间t的替代或补充方案，原则上也可以改变所出现的转速。
此外可以根据具体等级，例如将同一例程用作在燃料电池系统2关掉时的起动准备例程SVR以及用于燃料电池系统2的停机整理的起动准备例程SVR。也可以使用不同的例程，例如具有不同时间的例程或者针对停机整理情形具有相应较低转速的例程，从而降低功率需求和噪音排放。也可以为不同等级分配起动准备例程SVR的不同流程，例如不同的压力曲线或者例如打开或关闭阀装置14、16的不同时间。

Claims (9)

1.一种针对起动过程对燃料电池系统(2)进行准备的方法，其中在所述燃料电池系统(2)断开的情况下以及/或者在温度低于预设温度极限值的情况下实施起动准备例程(SVR)，以便除去所述燃料电池系统(2)中的水和水分，其中根据在将所述燃料电池系统(2)关掉前的预设时间段内所检测到的测量值来改变所述起动准备例程(SVR)，且其中根据所述测量值来改变所述起动准备例程(SVR)的持续时间(t)和/或输气装置(6，11)的转速，
其特征在于，
当所述燃料电池系统(2)在所述时间段内以高负荷工作时，所述起动准备例程(SVR)被规定得以非常短的时间和/或以低转速实施或者完全不实施所述起动准备例程，其中当所述燃料电池系统(2)以低负荷工作时，所述起动准备例程(SVR)以最大持续时间和/或以高转速来实施，且其中，在二者之间存在至少一个中间级，所述测量值包括所述燃料电池系统(2)中的冷却水温度，预先设定不同的冷却水温度阈值，其中所述测量值包括所述冷却水温度高于相应冷却水温度阈值时的时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量值至少间接地表示所述燃料电池系统(2)的负荷要求。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述燃料电池系统(2)在所述时间段内的负荷情形和/或冷却水温度将所述测量值划分为相应等级，其中每个等级均分配有所述系统准备例程(SVR)的一个预设流程。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述时间段被预先设定为在将所述燃料电池系统(2)关掉前的5-20分钟。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述时间段被预先设定为在将所述燃料电池系统(2)关掉前的5-20分钟。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过特性曲线将所述测量值或测量值所归入的等级与不同的系统准备例程(SVR)相关联。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过特性曲线将所述测量值或测量值所归入的等级与不同的系统准备例程(SVR)相关联。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过特性曲线将所述测量值或测量值所归入的等级与不同的系统准备例程(SVR)相关联。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过特性曲线将所述测量值或测量值所归入的等级与不同的系统准备例程(SVR)相关联。
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